頂管施工技術在市政污水管道工程中的應用研究

田 飛

（上海崇明市政工程有限公司，上海 202150）

0 引言

頂管施工技術是常用地下管道施工技術之一，在市政污水管道系統建設中得到了廣泛應用。該技術以千斤頂為施力設備，將掘進機和工具管等關鍵設備有效頂入土層，并由施工人員結合工程實際情況以及施工標準要求，通過機械掘進或者人工掘進等方式達到有效穿越土層，并在土層之中完成管道的埋設，并將地下管道頂進到接收井處的目的。

與常規的開槽埋管相比，頂管施工除頂管井的開挖須在地面進行外，整個頂進過程基本在地下完成，不僅可以將土方挖掘量有效降低，從而節約土方挖運及地面揚塵等造成的附加施工成本，而且可以最大程度地降低施工對各類地面活動如交通通行等的影響。此外，頂管敷設可容許的管道直徑范圍較廣，允許埋置深度大，在大管徑雨污水管的施工中有較大的優勢。本文結合某市市政污水管道工程，研究頂管施工技術的應用，為確保其技術價值的實現積累經驗。

1 工程概況及施工要求

1.1 工程概況

本文以某市市政道路污水管道工程為例，對該項目中頂管施工技術進行探討。根據項目需求，該項目須敷設多條污水主管，其中DN1000 管道1410m，DN1200 管道750m，這兩種污水主管均采用頂管施工，按照管道的實際分布情況，共須分為14 個頂程進行頂管施工。頂管管材統一采用“F”型鋼承口式鋼筋混凝土加強管，楔形橡膠圈接口。為了保障施工質量和施工安全，采用鉆孔灌注樁、SMW 工法樁作為圍護，三軸攪拌樁及高壓旋噴樁作為止水帷幕，并對頂管接收坑進洞位置及坑底采用壓密注漿的方式進行頂管井基坑及頂進過程中局部位置的加固。

1.2 施工要求

頂管施工是該項目的施工重點，必須做好通盤的考慮和周密的安排。首先，結合工程需要對頂管施工技術的工藝流程進行明確；其次，對工作井、設備安裝、頂管始發頂進作業、中部頂進作業、管節安裝、接口處理等各方面施工做出全面布置，關鍵工序實施旁站監督，并結合實際情況對施工工序不斷優化，一旦在頂進過程中遇到各類問題，必須快速響應，及時解決。整個頂管施工過程應操作規范，以確保施工穩步推進，施工質量及施工安全有保障，為后續使用奠定基礎[1]。

2 頂管施工注意事項

進行正式施工前，首先須落實好測量放線工作，采用“一放二復”的方式做好每個放樣點的復核，確定放樣點精準無誤后，方可進入到工作井施工，進行設備安裝等后續工序。一切準備就緒后，頂管設備出洞，正式進行頂管頂進。對初始頂進、中部頂進及頂管進洞等工序應結合實際情況有序進行。一旦開始頂進，必須做好棄土運輸。頂進過程中應密切監測頂進方向，如果發現偏差超出范圍時必須及時糾正。出洞時，應將下管以及接口處理做好。為確保頂進精度，在頂管進洞后應進行全線測量，并及時對洞口進行加固處理[2]。

3 頂管施工技術要點

3.1 工作井施工及設備安裝

3.1.1 工作井施工

該項目須設置工作井8座，接收井6座。據地勘資料顯示，該項目某區域污水管道埋置區域兩側廣泛分布有居民樓、廠房、河道等，且現狀道路兩側均存有大量地下管線，周邊環境復雜。頂管施工所在深度范圍地質主要為雜填土及粉質黏土夾薄層粉土或粉砂。綜合以上情況可知，該項目工作井及接收井（以下統稱為頂管坑）擬采用SMW 工法樁+內支撐或高壓旋噴樁+鉆孔灌注樁+內支撐的型式作為圍護，以有效避免地表或井體沉降、圍護滲水等，從而保障施工質量及施工安全。此外，針對具體施工過程中可能出現的冒漿等施工問題，將采用對噴嘴孔徑適當縮小、適時調節旋噴壓力等措施進行解決[3]。

工作井圍護施工與工作井開挖施工應密切配合，在做好井內降水后即可進行基坑的開挖。開挖采用挖掘機為主、人工配合為輔的方式進行，開挖中應做好鋼支撐、圈梁等支撐體的布置，確保基坑穩定。挖到基坑底部后應采用壓密注漿進行封閉。

3.1.2 設備安裝

完成工作井施工之后，進行頂管設備的安裝。在準備好與頂管施工有關的所有設備后，先在路面上進行空壓機組、注漿潤滑設備、泥漿處理設備、泥漿制備設備等的安裝，后逐個吊運至基坑內進行設備對接；并對冷卻系統、供電系統等進行調試，特別是對供漿泵以及地面管路等進行正確設置。然后將頂進軌道、頂管反力座、頂管機、排泥泵、污水泵等設備安裝到豎井內部。為防止頂管切口正面泥水流到井內，同時防止地下潛水侵入豎井內淹沒設備，應在洞口設置止水裝置，采用兩道橡膠止水法蘭，橡膠止水圈采用氯丁橡膠或三元乙丙橡膠，必須用粘結劑牢固粘結在插口槽上。

3.2 頂管始發頂進作業

結合地層實際情況對頂管掘進參數進行設置后，實施頂管的進洞始發頂進作業。在對洞門密封位置進行觀察核驗后，結合實際情況對刀具位置進行調整。在刀盤艙之中，施工人員不僅要逐步推進頂管機，還要對刀盤、刀具、洞口密封實際情況等各方面進行持續觀察，必要時可涂抹一定的黃油，并嚴格按照徑向方向對洞口密封扇形壓板進行調整，通常是基于實際需求逐步調大。同時，整個推進過程要合理控制好泥水壓力、泥水流量及頂進速度，盡量勻速頂進。頂進過程中，按照泥水流量、刀盤電流等參數的變化，及時對刀盤轉速進行必要的調整；如遇到斷處，刀盤切削時間適當延長，以保持刀盤的正向阻力穩定，避免出現頂管機出現位置偏移的情況。此外，在頂進的過程中，根據實時測量的結果，對頂進姿態、軸線位置進行及時校正，確保頂管頂進過程中不會偏離軸線位置[4]。

3.3 頂管中部頂進作業

3.3.1 開挖面泥膜構建

該項目是通過泥水加壓平衡的方式平衡頂進中的壓力，以確保掘進施工有序開展。隨著頂管的不斷推進，在泥水循環的作用下，其開挖面上將構建一層泥膜，可以充分保障開挖的穩定性。頂管機內采用三級泥水處理系統對泥水進行處理，即在泥水分離設備的作用下，對泥漿渣土進行初次篩選，篩除粒徑大約5mm的固相顆粒，并在振動篩的作用下完成泥塊以及碎石的分離。剩下的固液混合物進入到泥漿沉淀槽，通過渣漿泵處理之后進入旋流器，以進一步分離粒徑不低于45μm的固相顆粒。固相顆粒分離完成后，水含量如果比較高，需要借助振動篩進行處理，降低水含量之后集中堆放。旋流器分離出來的泥漿，由二級旋流器接著處理，最終將粒徑高于25μm的固相物成功篩除。最后，由壓濾機設備對泥漿中的顆粒進行分離，當泥漿成功轉化為清水之后，及時將其存入泥漿箱，以備后期循環利用轉化為開挖面泥膜[5]。

3.3.2 切土與頂進施工

完成泥膜構建后，在刀盤驅動之下做好切土，勻速頂進并讓頂進系統平穩過渡進入中部頂進環節。整個過程必須通過壓力密切監視開挖量，避免出現超挖或欠挖的情況，否則可能引發地層下降或地層隆起等問題，甚至破壞周邊建筑物承載力。

由于泥水平衡式頂管開挖施工中，泥沙的排出方式是隨循環泥水流出，設進（出）漿流量為Q，進漿比重ρ1，出漿比重ρ2，掘進速度ν，盾構直徑為D，圍巖比重ρ3，正常掘進動態平衡可表示為：

Qρ2-Qρ1=ρ3υΠ(D/2)2

圍巖比重由前期土工試驗測得，進出漿液比重則通過比重計進行實時監測，以對出頂時的挖土量變化進行估計，并與預設開挖量進行對比，為實際頂進的參數調整提供依據，確保開挖量符合掘進速度的需要[6]。

3.4 管節安裝及管道接口處理

該項目管節之間采用“F”型鋼承口連接，并增加楔形橡膠圈做密封處理。由廠商負責完成專用鋼筋混凝土加強管的生產以及養護。在安裝管道之前，必須對管道表面及接口進行全面檢測，特別關注表面是否存在破損現象以及成品管槽口與鋼套環的尺寸誤差是否在允許范圍內、橡膠密封圈是否有凹坑、裂紋、承口插入面是否光滑等，確保無誤才能進行使用[7]。

3.5 糾偏與沉降控制

頂進環節必須要做好實時測量以及對頂管偏差進行糾正。經過測量之后，如果發現誤差，需要對已經頂進完成的管道進行逐步糾偏，嚴禁強力糾正，以避免出現管道扭轉、偏移、變形等情況。

3.5.1 管道偏差預防與糾正

管道軸線位置與工具管刀盤、主油缸等如未保持平行，隨著頂進過程的持續，管道扭矩會逐漸積累增大，如不及時糾正將導致管道出現扭轉；在頂管施工過程中，當管道內部設備組合或位置布設不合理，也會出現這類問題；此外，地質條件的突然變化，如管道兩側地質差別突然增大也會可能會導致管道偏位。為避免出現管道偏位，首先應對頂管設備安裝精密度進行有效控制，確保管道軸線保持平行以及主油缸的穩固性，必要時對偏差進行有效控制。

在施工過程中，嚴格按照預定流程進行；并以重量對稱分布為基本原則，對管道內部的設備進行合理布設，以有效避免管道扭轉問題。此外，針對已經存在的扭轉力，應適當施加外力進行平衡糾偏。當頂距小于15m 時，建議通過主壓千斤頂的方式，對管道軸線偏差進行校正，讓偏差處于允許范圍[8]，如表1所示。

表1 頂管允許偏差范圍

3.5.2 導軌偏移糾正

結合工程實際情況，一般按照圖1 對導軌進行設置。導軌如果剛度不足或沒有充分固定，一旦受到外力作用或震動，大概率會出現偏移；此外，如果工作井的井底板發生了變形或者是受損，又或者頂進后座不夠穩固，當頂進產生作用力時，頂管軸線與主頂油缸之間的平行度將迅速出現變化，這時將不僅會出現位置偏移，還會導致導軌受損。此時可以將硬木、鋼板、型剛等作為墊木，在導軌下面整平并緊密地放置，或者是直接用型剛或者是鋼板在導軌上進行焊接，均可以增強導軌穩定性，從而有效控制偏移問題[9]。

圖1 導軌安裝示意圖

3.5.3 后靠背變形與位移偏差控制

后靠背如果采用單塊厚鋼板制作或后靠背管口以及后預留孔處沒有墊實，將會因剛度不足導致后靠背出現位移或變形，甚至出現損壞的情況。在作業過程中，如工作井采用鋼板柱支護，也將可能由于被動抗力、覆土厚度等不足，造成鋼板樁位置偏移，進而導致后靠背位移或變形等。基于此，應選擇剛度滿足實際需求的鋼結構，如工字鋼疊加成墻的形式，對后靠背后的洞口進行設置，并將管口、洞口等墊實；此外，還應對后座墻后側的土體加固，如采用壓密注漿或在地面上放置鋼錠等方式，均可有效增加地面負荷，避免產生偏差[10]。

3.5.4 地面沉降控制

由于施工深度大，將不可避免地遇到地下水的問題。在處理地下水的過程中，一方面應做好降水，但降水時必須對地下水位進行有效控制，降水以滿足施工需求為宜，無需過度降水，否則將導致周邊地面的沉降；另一方面，時刻關注掘進面的狀態，保持泥水壓力的穩定，勻速排土，避免因排土速度不均勻導致頂管整體施工效率低等問題[11]。

4 結束語

當前，將管道埋置深度加大，采用大管徑雨污水管以滿足遠期排水需求的方法已經越來越多地應用于雨污水排水施工中。而對于較大深度位置的管道埋設，頂管施工技術則由于對埋置深度、復雜地質條件的適用性，已得到越來越多的應用。本文結合某市市政污水管道工程，研究頂管施工技術的應用，應用證明，頂管施工技術適用性廣的前提是明確當地水文和地質情況下，制定科學合理的地基加固及頂進方案，并根據施工現場實際情況，對頂管施工具體參數進行不斷的優化和調整。